Capítulo 2

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SISTEMAS TÉRMICOS
Curso Superior de Tecnologia em
Fabricação Mecânica
Capítulo 2
Conceitos sobre sistemas
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Prof. Luciano Caldeira Vilanova
31/05/2017
Objetivos

Apresentar conceitos fundamentais e definições
que serão usadas no estudo da termodinâmica:
–
–
–
–
–
–
Utilização da termodinâmica
Definição de sistemas
Comportamento de sistemas
Massa, comprimento, tempo e força
Volume específico e pressão
Temperatura
Introdução





Termodinâmica
Origem grega:
* therme: calor
* dynamis: força
Visão antiga: Capacidade de corpos
quentes produzirem trabalho
Visão atual: Relações de energia e
propriedades da matéria
Interações de um determinado sistema com
a sua vizinhança
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Utilização da Termodinâmica
Motores de combustão interna
 Compressores e bombas
 Sistemas de ventilação e condicionamento
de ar
 Sistemas de resfriamento diversos
 Produção de energia elétrica
 Biomedicina

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Definindo Sistemas





Em análises de engenharia é preciso definir
precisamente o que será estudado
O sistema é tudo aquilo que desejamos estudar
Um motor, uma refinaria, um refrigerador, um
molde de injeção
A quantidade e a composição de matéria de um
sistema pode ser fixa ou variável (fluxo de
matéria e reações químicas)
A forma do sistema pode mudar com o tempo
durante o estudo
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Sistema, vizinhança e fronteira
Tudo o que não faz parte do sistema em
estudo, é parte da vizinhança
 O sistema é diferenciado da vizinhança
pela fronteira
 A fronteira pode estar em repouso ou em
movimento
 A escolha da fronteira define o sistema

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fronteira
sistema
vizinhança
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Tipos de sistemas
Sistema fechado (massa de controle)
 Sistema fechado isolado
 Volume de controle (sistema aberto)
 Superfície de controle

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Sistema Fechado
(massa de controle)



Definido quando uma
certa quantia de
matéria está em
estudo.
Contém sempre a
mesma quantidade de
matéria
Não pode ocorrer
fluxo de massa pela
fronteira
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Sistema fechado isolado
Quando o sistema não interage de forma
alguma com a vizinhança
 Não existe troca de massa ou de calor ou
outra manifestação de energia
 Caso especial de sistema fechado

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Volume de Controle
(sistema aberto)


O sistema é uma determinada região do espaço
por onde a massa escoa
Ocorre fluxo de massa pela fronteira
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Superfície de controle

É o nome dado a fronteira, quando utilizase os termos massa de controle e volume
de controle
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Escolhendo a fronteira

A escolha da
fronteira é feita
levando-se em
consideração:
– O que é conhecido
acerca de um possível
sistema;
– O objetivo da análise.
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Comportamento dos sistemas
Visão macroscópica e microscópica
 Propriedade, estado e processo
 Propriedades intensivas e extensivas
 Fase e substância pura
 Equilíbrio
 Processos reais e em quase-equilíbrio

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Visão macroscópica e
microscópica da termodinâmica
Termodinâmica clássica
→ visão macroscópica
Preocupação com o comportamento global
do sistema
 Termodinâmica estatística
→ visão microscópica
Preocupação com a estrutura da matéria

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Propriedade
Uma propriedade é uma característica
macroscópica de um sistema para a qual
pode-se atribuir um valor numérico em um
dado instante sem conhecer a história do
sistema
 Ex: massa, volume, energia, pressão e
temperatura.

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Estado
É a condição de um sistema descrito pelas
suas propriedades em um determinado
instante.
 Pode ser definido por um sub-conjunto de
propriedades. Todas as outras propriedades
são definidas a partir destas.

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Estado
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Processo
É a mudança do um estado do sistema para
outro no tempo
 A mudança de estado se verifica pela
variação de uma ou mais propriedades
 Quando nenhuma propriedade varia com o
tempo (não há mudança de estado) o
sistema é dito em
REGIME PERMANENTE

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Processo
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Ciclo termodinâmico
É uma seqüência de processos onde o
sistema inicia e termina no mesmo estado.
 As propriedades apresentam os mesmos
valores iniciais ao final do ciclo.
 O sistema não apresenta variação líquida
de estado ao longo do ciclo.

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Ciclo Termodinâmico
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Propriedades extensivas
Quando o valor global da propriedade para
o sistema é a soma das partes para o qual o
sistema é dividido.
 Variam no máximo com o tempo
 Ex: massa e volume

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Propriedades Intensivas



Quando o valor da propriedade é
independente do tamanho do sistema.
Podem variar em função do local no
sistema e com o tempo
Ex: volume específico, pressão e
temperatura
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Fase e substância pura
Fase refere-se a uma quantidade de
matéria que é homogênea em composição
química e em estrutura física (líquido,
sólido, vapor ou gás)
 Um sistema pode possuir uma ou mais
fases

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Equilíbrio
Mecânico
 Térmico
 Químico
 De Fase

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Equilíbrio



Um sistema isolado da vizinhança estará em
estado de equilíbrio se não houverem mudanças
significativas nas suas propriedades com o tempo
A temperatura e a pressão serão uniformes ao
longo do sistema, desde que o efeito da
gravidade não seja significativo (para a pressão)
As fases não devem possuir qualquer tendência
de mudança de estado para o sistema entrar em
equilíbrio
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Processos Reais e em quaseequilíbrio

Por simplicidade consideraremos que
quando o sistema passa por um processo
real do estado 1→2, então todos os estados
intermediários são estados de quaseequilíbrio, ou seja, o desvio do equilíbrio
termodinâmico do sistema é no máximo
infinitesimal.
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Resumo
Sistemas termodinâmicos, tipos de
sistemas, propriedades extensivas e
intensivas, estado, processos, fases e
substâncias puras, equilíbrio e processo em
quase-equilíbrio
 Exercícios (numerá-los)

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Exemplo 2.1



Um gerador eólico turboelétrico é montado no
topo de uma torre. A eletricidade é gerada à
medida que o vento incide constantemente sobre
as pás da turbina. A saída elétrica do gerador
alimenta uma bateria.
Considerando apenas o gerador eólico como
sistema, identifique as posições da fronteira onde
ocorre interação com a vizinhança. Descreva as
mudanças que ocorrem no sistema com o tempo.
Repita a análise para um sistema que inclui
somente a bateria.
Exercício 2

Observando-se a figura abaixo, identifique
os locais onde se situam as fronteiras do
sistema que estabelecem interações com a
vizinhança.
Exercício 3

Conforme ilustrado na figura abaixo, a água
circula entre um tanque de estocagem e um
coletor solar. A água aquecida no tanque é
utilizada para fins domésticos. Considerando o
coletor solar como um sistema, identifique as
posições nas fronteiras onde este interage com as
vizinhanças e descreva o que acontece no interior
do sistema. Repita a análise para um sistema que
inclua o tanque de estocagem e toda a tubulação.
Exercício 4

Conforme ilustrado na figura abaixo, o vapor
escoa por uma válvula conectada em série a uma
turbina. A turbina aciona um gerador elétrico.
Considerando a válvula e a turbina como um
sistema, identifique as posições nas fronteiras
onde o sistema interage com suas vizinhanças e
descreve o que acontece no interior do mesmo.
Repita a análise para um sistema que inclua o
gerador.
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